（工程力学专业论文）基于温度和应力场的焊接残余应力数值分析.pdf

ab s l r a c t abstract s ani n 1 poitan t te c hno 1 o g y o f stee l s t ru c tu r e ， wel d ing i s a c o mpl i c at e d p r oc e s s w h i c h i nvo l ve s inel ec 加m a g n etis m ， h e a t t 晓 in s fe 州 ng， m e talmelti ngand freez 吨 明 d m ec h an i c s ， w h 1 c b re l ated tothe q ua l ity ofp r oj ec tsan d the s ta b i 1 ity ofst ru c tr 江 e . b ec auseofhi ghc e n t r a l i z e d i n s 加 m t a n e o ushe ati 即呱a gr e a t d e a 1 ofre si d ual stie ss and d e fo rmat i o n sh o ul d beb ro u ght inthe p r oc e s s o f the wel d ing， w h i chcan heavi l y i n fl uenc e the c apa b i lit y o f wel di n g s l ru c t ur e .丁 七 e re fo reit ises se ntialtocaic ul 也 明d 阴a l y zethe 比 si d u a l 尔 ssinwel d i n g s t ru c n lr eb ased o n o 山 e r s e x pen e nce， 初th ntuneri c al c al c ul atio n ，thisp a pe rre se ar c h e showto re ai 公 the 3 一 d d y n a m l c 5 而u lation ofweld ins t e m p e r al 切 限明d re si d ual s t r e ssfi el d ， t h e n use s the re s e a r c h re su ltstos i mul ate the wel d i n g 四c e s s o f the a n n u l arwel d i 昭o f h o l l ow s p h eric al 。 int. f u rt h e n n o r e ， the c ai culationre s u l t rds w i 1 h t r aditi o n a l ana 1 y si s re su lt and t h e o ryres u l t . t 七 e p a pe r fi r st lyd e s c ri bes the b as i c theo ri e s and numencalana 1 y s i s m e t h 0 dso f the t e m per a tu r e fi el d and 比 si d u a l s tr e ssfi el d . inthe p r oce sso f n 切 m e n c ais 如ul at e d c al c ul ating， 初ththe then n a l 一 s t r u c n 止 eco叩li ng fu n c t i on ofans y sso ft w 别 吧and i n d i r e c t couph ng， 而s p a per d e al s w it h the s i n g 1 e coupll ngw h o se妞 m per at ur e fi el d e ffects o n s t r e s s and s l r a i n fi e l d and c ai cuia t e s the t e m pera t u r e fi e l d fo r th e hol l ow s p h e ri c ai oi niwel di ng l 俪. hi。 记 e r tol m p r o v e the so l ut io n郎 curacy，itse le c ts sui ta b l e m a t e ri alp r o pert ie s ，re fi nes the g l r d i n g ， c h ooses the g a uss 丘 m c t l o n mov i n g he atsourc e mode l an d uses a ns y s 妙d l俪g ua g e toco m p i l e progr am toap p ly mov l n g he atso urce lo adinthe p “ 沁 es s o f nuln eri阔 si m u 】 a t e d c al c ul at 吨. fi nally d y nam i c p i c t ux e s o f wel d ing l e m pe r a to r e fi e l d an d t e m pe r at u redi strib ut i onc u r v e o f 。c h point inweld i ngl ine are s h o wn. b 出 犯 don 郎c u 比 a t e te m pera t u r e fi el dresu 】 ts ， weld ing re si d u a l s t r e ssare al so c al c ul at ed by chang i n gl b e n 刀 目 l el e m e n tsi n t ost ru c tu r a l el e m e n ts . b y.birth and d e a l h f， m e t h o 氏el e m e n t s w h 0 set e m per a ture are ine x c e ssofm a t e ri a l m e 】 t i n g poi nts are kill edand any o t h e r d einent not inexcessofm at e ri a l me】 t i n g poi nts are 浏i v a t e d. t h e re fo re ， d y n aj 旧 i c s i m u l ationonm e ta l m elti ngand 斤 e e z i ngisfu lfi u ed. acurveof ab s l r a c t re gui胡t y onweld in g r e s i d ual s t r e s se s an d t e l1 d e n c y o f thei r di strib ut i o n i s pres e l1 1 e d bypos t 一 s o l ut i o n . t hr o u g h th e re se arch a ll d p r ac 飞 i c alven 玩at i呱 this p a pe r es tabh s h e s a fe a s i ble d ynami c s i mul at i o n method o n 3 一 dwel d i n g te m p e r a tu r e fi e l d an d re s 1 d u a 1 st re s s fi e l d o f the annu l arwel d i ngo f hol l o ws p h e 州 c al j o i nt ， p ro v i d i ngthe theo r e t l c a n a l ys i s o f re s i d ual stre s s a n din s t ru c l i o n ， p ro mot ing the a p p l i c at i o no f f e m ( f ini t e e l e m e n t m et h o d ) o n wel d in g m e c h ani c s anal y s i s and e llgi n e erin g . k ey w o r d s :wel d i ng t e n 1 p e r a t u r efi e l 氏wel d i n gre s i d ual s t r e s s ，fi n i tee l e ment， numenc als im ul at i o 几 wel ded h o l l ow s p heri c al j o i nt . 1 1 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解通立生， 有关保留 、 使用学位 论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和 磁盘， 允 许 论 文 被 查阅 和 借阅 。 本 人 授 权 鱼 鱼 主 生可以 将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 :书了 护 导 师 签 “ : 赓对 备 签 字 日 期 : 夕 7 年月“日 签 字 日 期 厂 护 夕 年“月， 日 学 位 论 文 作 者 毕 业 后 去 向 : 上 油 工 作 单 位 : 上 询 ;妙 陋 沁 脚啊 伶 、 飞 话 : 。 一 ，。洲 通 讯 地 址 :哟 “ 砖 衫 铸 “ 咖 ” ，金 邮 编 一 ，。 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明 所呈交的学位 论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的 研 究成果。据我所知， 除了 文中 特别加以 标注和致谢的 地方外，论文中 不包含 其他人己 经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 南昌大学 或 其他教育 机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同 志对本 研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 ( 手 写 ) : 摊祷才 签 字 日 期 :坷 年“ 月 ，; 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完 全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。 本人授权南昌大学可以 将学位论 文的 全部或部分内 容编入有关数据库 进行 检索，可以采 用影印、 缩印 或扫描等复制手段保存、 汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 : 滩劣 尹 签 字日 期: 夕 抽 口年 月1 了日 导师签名: 签字日期:年月日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编 第 1 章 绪论 第 1 章 绪论 1 . 1引言 参与铁道部科技发展计划项目 钢结构事故研究的中南大学土木工程学 院教授叶梅新女士撰写了一篇叫 钢结构事故研究的论文，文中分析了很多 钢结构事故的原因，指出:许多钢结构事故都与低温冷脆问题有关，低温冷脆 断往往与材料的疲劳有关;高应力集中、材料缺陷、焊接缺陷和焊接残余应力 是引起低温脆断的主要原因。叶教授从我国区域经济的发展谈到西部的建设， 鉴于钢结构的许多优点，大量的钢结构将在西部得到广泛的应用，钢结构的机 遇前所未有，但是钢结构的事故触目 惊心;最后指出:在钢结构的设计、选材、 制造、施工和运营中，必须严格控制各个环节，确保结构的安全可靠，尤其是 对低温冷脆、焊接残余应力以及焊接缺陷等问题，有必要做进一步的研究。 另外，钢结构中，单层网壳结构是一种空间曲面刚接杆系结构或者梁系结 构，其受力特征类似于薄壳结构，稳定是单层网壳结构的主要问 题。当网壳中 杆件主要以弯曲方式承载的结构， 其稳定性态对缺陷不敏感;当网壳中杆件主要 以轴力方式承载的结构，其稳定性是缺陷敏感的，网壳结构通常以轴力方式传 力，因而网壳是缺陷敏感性结构。 网壳结构的失稳有时呈突变性的，一根杆件的屈曲或者一个接点领域的局 部屈曲， 往往会迅速传播导致整个网壳突然失效，使结构不具备屈曲后承载性 能。 这种现象常出 现在单层同向曲 面网壳中。 在网壳结构中 ， 其接点连接主要是 空心球接点和杆件的焊接，于是焊接残余应力的研究对网壳结构的稳定显然很 重要。 合肥工业大学的完海鹰先生、王星先生和范伟先生等对焊接空心球接点的 刚度及其对网架结构的影响进行了有限元分析川 臼 幻 43 。 但是他们都没有考虑焊 缝残余应力的影响。 本文主要通过对焊接温度场应力场的单向祸合来分析空心球节点的温度场 和焊接残余应力分布。 第 1 章 绪论 1 . 2焊接残余应力的文献综述 1 . 2 . 1焊接残余应力的概念 焊接构件由焊接而产生的内应力称之为焊接应力，按作用时间可分为焊接 瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中，某一瞬时的焊接应力称之为焊接瞬时 应 力， 它随 时间 而变化; 焊后 残留 在焊件内 的 焊接应力 称 之为 焊接 残余 应力 ， ， 。 焊接残余应力为热应力( 主要为冷却应力) ，相变应力可再叠加其上。在冷焊、 扩散焊、滚轧敷层和爆炸敷层等情况下，冷加工作用力是残余应力的源泉，它 可单独作用，也可能附加于上述热效应之上。 在焊接过程中， 焊接区以 远高 于周围区域的 速度被急剧加热，并局部熔化。 焊接区材料受热而膨胀， 热膨胀受到周围 较冷区域的约束，并造成( 弹性) 热应 力，受热区温度升高后屈服极限下降，热应力可部分超过该屈服极限。结果焊 接区形成了塑性的热压缩，冷却后，比周围区域相对缩短、变窄或减小。因此， 这个区域就呈现拉伸残余应力，周围区域则承受压缩残余应力。冷却过程中的 显微组织转变会引起体积的变化，如果这种情况发生在较低的温度，而此时材 料的屈服极限足够高，则会导致焊接区产生压缩残余应力，周围区域承受拉伸 残余应力。 可以运用以下的经验法则判别产生焊接残余应力的情况: 构件最后冷却的区 域以 热应力为主时，呈现焊接拉伸应力，而以 相变应力为主时，呈现焊接压应 力。 1 . 2 . 2 焊接残余应力产生的原因 及分类图 在各种加工过程中，焊接是比较容易产生残余应力的加工过程。焊接是把 结构构件彼此之间 连接起来， 这种结合就会使这些工件之间形成约束状态。因 此， 通常所说的焊接残余应力包括两个部分: 一是当焊接件处于自 由状态时， 由 于焊接而产生的 应力，这种应力在焊接件中 保持自 身 平衡， 称为焊接残余应 力;一是由于焊接件以外的约束而造成的残余应力，称为约束应力。 焊接残余应力的形成，一般包括下列三个方面: 1 . 直接应力，这是由于不均匀加热而造成的，它是取决于焊接件加热和冷 第 1 章 绪论 却时的温度梯度而表现出 来的热应力，是焊接残余应力形成的主要方面。 2 . 间接应力，这是焊接前工序带来的应力，构件在轧制和冷拔后其表面具 有拉伸应力， 它与 焊接产生的应力叠加， 并对焊接后的构件的变形产生附加的 影响。 3 . 组织应力，这是由于组织变化而产生的应力，它与含碳量及材料的其他 成分有关。 其中，直接应力是焊接残余应力形成的主要方面，即焊接残余应力的产生 主要是由 加热和冷却时的热应力及由它所造成的塑性变形来确定，对这种残余 应力起决定性影响的是开始加热时焊接件的温度分布，也就是焊接件各点的温 度梯度。焊接件的温度分布受焊接件的形状、焊接速度及材料的热传导系数等 热学性质的影响。 此外，构件的变形特性对残余应力的产生也有影响.因为诸如材料的屈服 应力、弹性模量、热膨胀系数等都与温度有关，屈服应力、弹性模量等随温度 的升高而下降，而热膨胀系数则随温度的升高而增大。 焊接是一个涉及电弧物理、传热传质、冶金力学的复杂过程，并在传热过 程中金属进行着熔化和凝固、加热或冷却的相变、焊接应力与变形等。高温停 留时间冷却速度等热传循环系数会对焊件的组织状态、力学性能、氢扩散以及 焊接冷裂纹产生重要影响。因此焊接温度场的准确计算是焊接冶金分析、残余 应力与变形计算以及焊接质量的控制的前提。 从中可以看出，要想研究焊接残余应力必须首先对焊接过程中的温度场进 行分析，然后得出 应力的动态分布和应力场和温度场的祸合。焊接温度场、应 力场的模拟就是运用其热、结构及二者的祸合分析功能进行计算，即先运用其 热分析功能计算整个焊接过程的温度场，然后将温度场的计算结果作为热载荷 进行结构的力学分析，得到应力场的整个动态变化过程。 1 . 2 . 3 影晌焊接残余应力产生的主要因素阅 焊接应力的产生和发展是一个随加热与冷却而变化的材料热弹塑性应力应 变动态过程。以熔焊方法为例，影响这一过程的主要因素有以下两个方面: ( 1)材料物理特性和力学性能的影响。 表1 . 1 列出了一些常用材料的热物理 特性在给定的温度t 区间的平均值。 热导率几 、比 热容 、 密度p 或由 这几个参 第 1 章 绪论 数联 合表 示的 热 扩 散率 a = 兄 / c p ，以 及 热 焙5 是 影 响 焊 接 温 度场 分布的 主要 物 理参数。 线膨胀系数a 随温度的 变化则是决定焊接热应力、 应变的重要物理特性。 表1 . 1 常用材料的热物理性能系数 材料 a !x ，沪 ) 又 。 ， (x ，0- ， ) a t 低碳钢1 2 1 6/j/ 低合金钢1 6 .5 1 70 . 0 3 8 八 0 . 0 4 24.9 5 .27.5 9 . 05 0 0 币 0 0 奥氏体铬镍钢 1 6 、 2 0 。0 2 5 习 . 03 3 44 4. 9 6 ， 3 70 6 0 0 铝合金2 3 2 70 . 2 72 . 71 0 03 oo 钦合金850 . 1 62 867 0 0 ( 2)不同类型焊接热源的影响。 焊接时的热输入是产生焊接应力的决定性因 素。焊接热源的种类、热源能量密度的分布、热源的 移动速度、被焊接件的形 状与厚度都直接影响着热源引起的温度场分布，因而也改变着焊接残余应力的 分布规律。图1 . 1 所示为三类典型的焊接热源模型。 在函数解析求解焊接温度场 时，这种分类可使最终的计算公式简化。而用有限元方法数值求解时，原则上 允许考虑任何复杂的情况;但实际上，为了节省运算时间，从经济的角度考虑 也需作相应的简化。 其中， 图1 . 1 ( a) 为作用于半无限 体( 厚板) 表面 上的点 热源模型， 它是厚板表 面点 状加热( 热源不移动) 的 热传导过程的简化;图 1 . 1 伪 ) 为作用于垂直无限 板 ( 薄板) 表面的线热源模型，它是薄板点状加热( 热源不移动) 和单道对接焊( 热源 移动) 的热传导过程的简化， 一般为二维传热， 沿板厚方向上的热源功率为常数。 若热源不移动，在点状加热时，相应的二维焊接热弹塑性应力应变过程为轴对 称( 相对于2 轴) 平面应力问 题。 若热源移动， 相应于薄板单道对接焊过程， 这时 的焊接热弹塑性应力应变过程亦可简化为二维平面应力问题近似求解; 图1 . 1 (c) 为作用于垂直无限杆轴向的面热源模型，杆截面上的热源功率为常数，沿杆件 的轴线方向为一维传热.与此相应的焊接热弹塑性应力应变过程，可视为一维 问题，但在实际工程问题中，由于在横截面的表面上并非绝热的条件，最终的 残余应力呈现复杂的分布状态。 第 1 章 绪论 节毛限伟 ，寸 - 泪臼吸 帆 吮 芝毒 夕 ， j 广 |、| 帆叭气月曰下 才/介/勺 厅仁价 了了 仁一 不 矢 熹蔗川 。 . 濡 龟 (o ) 图 1 . 1三类典型的焊接热源模型 1 . 2 . 4 焊接残余应力对焊接结构的影晌旧 由于焊接过程是一个局部的不均匀加热、 冷却过程， 受焊缝及其近缝区温度 场的影响，焊件内 部会出现大小不等、分布不均匀的残余应力应变场。在焊件 服役过程中， 焊接结构的残余应力和其所受载荷引起的工作应力相互叠加，使 其产生二次变形和残余应力的重新分布，这不但会降低焊接结构的刚性和尺寸 稳定性，而且在温度和介质的共同作用下，还会严重影响结构和焊接接头的疲 劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力，现代大工业 生产与新技术的迅猛发展，对焊接技术提出了更高的要求一高质量、高经济性 和高可靠性。焊接残余应力与变形是直接影响构件结构性能、安全可靠性的重 要因素，它在一定条件下，会对结构的断裂特性、疲劳强度和形状尺寸精度等 产生十分不利的影响。 ( 1) 对结构刚度的影响 当 外载产生的 应力口与结构中某区域的残余应力叠 加之 和 达 到 屈 服 点氏时， 这一区 域的 材 料 就 会 产生 局 部 塑 性变 形， 丧 失了 进 一 步承受外载的能力，造成结构的有效截面积减小，结构的刚度也随之降低。结 构上有纵向 和横向 焊缝时 ( 例如 工字梁 上的 肋板焊 缝) ， 或经 过火焰校正， 都 可能 在相当大的截面上产生残余拉伸应力，虽然在构件长度上的分布范围并不太大， 但是它们对刚度仍然能有较大的影响。特别是采用大量火焰校正后的焊接梁， 在加载时刚度和卸载时的回弹量可能有较明显的下降，对于尺寸精确度和稳定 性要求较高的结构是不容忽视的。 第 1 章 绪论 (2 ) 对受压杆件稳定性的 影响 当 外载引起的 压应力与 残余应力中压应力 叠 加 之和 达 到久， 这部 分 截 面 就 丧失 进 一步 承 受 外 载的 能 力， 这 样就 削 弱了 杆 件 的有效截面积，并改变了有效截面积的分布，使稳定性有所改变。残余应力对 受压杆件稳定性的影响大小， 与 残余应力的 分布有关。 (3 ) 对静载强度的 影响 如果材料是脆性材料， 由于 材料不能进行塑性变形， 随 着外力的增加， 构件中不可能应力均匀化。应力峰值将不断增加，直至达到 材料的屈服极限， 发生局部破坏，最后一导致整个构件断裂。 脆性材料残余应 力的存在，会使承载能力下降，导致断裂。对于塑性材料，在低温环境下存在 三向拉伸残余应力的作用，会阻碍塑性变形的产生，从而也会大大降低构件的 承载能力。 (4 ) 对疲劳强度的影响 残余应力的 存在使变荷载的应力循环发生偏移， 这 种偏移只改变其平均值，不改变其幅值。结构的疲劳强度与 应力循环的特征有 关。当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。因此，如 应力集中处存在着拉伸残余应力，疲劳强度就降低。应力集中系数越高，残余 应力的影响也就越显著，因此，提高疲劳强度，不仅应从调节和消除残余应力 着手，而且应从工艺和设计上来降低结构的应力集中系数，从而降低残余应力 对疲劳强度的不利影响。 (5)对焊件加 工精 度和尺寸 稳定 性的 影响 加 工把一部分 材料 从焊件上 切除 时，此处的应力也 被释放。残余应力的原来平衡状态被破坏，焊件产生变形， 加工精度受影响。 组织稳定的低碳钢及奥氏体钢焊接结构在温室下的应力松弛 微弱，因此内应力随时间的变化较小，焊件尺寸比 较稳定。低碳钢在室温下长 期 存 放， 数 值 为 os的 原 始 应 力 可 能 松 弛2. 5 % 一 3 % ， 如 果 原 始 应 力 较 低， 则 松 弛 的比 值将有所减少， 但若环境温度升高至1 0 0 0 c ， 松弛的比 值将成倍增加。 (6 ) 对应力 腐蚀 裂纹的 影响 金 属 材料在某些特定介质和拉应力的共同 作用 下发生的延迟开裂现象， 称为应力腐蚀裂纹。应力腐蚀裂纹主要是由材质、腐 蚀介质和拉应力大小共同作用的结果。 采用熔化焊焊接的构件， 焊接残余应力是不可避免的。焊件在特定的腐蚀 介质中，尽管拉应力不一定很高都会产生应力腐蚀开裂。其中 残余拉应力的大 小对腐蚀速度有很大的影响，当 焊接残余应力与 外载荷产生的拉应力叠加后的 拉应力值越高，产生应力腐蚀裂纹的倾向就越高，发生应力腐蚀开裂的时间就 越短。所以，在腐蚀介质中服役的焊件，首先要选择抗介质腐蚀性能好的材料， 第 1 章 绪论 此外对钢结构的焊接及其周围处进行锤击，使焊缝延展开，消除焊接残余应力。 对条件允许的焊接加工的钢结构，在使用前 进行消除应力退火等. 1 . 2 . 5 焊接温度场与应力场的研究历史与发展.l10 圈阁闻 焊接温度场的准确计算或测量，是焊接冶金分析和焊接应力、应变热弹塑 性 动 态分 析的 前 提。 关 于 焊 接 热 过 程的 分 析， 苏 联 科 学院 的 助助k a l i n 院 士 对 焊 接过程传热问题进行了系统的研究，建立了焊接传热学的理论基础。为了求热 传导微分方程的解，他把焊接热源简化为点、线、面三种形式的理想热源，且 不考虑材料热物理性质随温度的变化以及有限尺寸 对解的影响。实际上焊接过 程中除了 包含由于温度变化和高温引起的材料热物理性能和变化而导致传热过 程严重的非线性外，还涉及到金属的熔化、凝固以及液固相传热等复杂现象， 因此是非常复杂的.由于这些假定不符合焊接的实际情况，因此所得到的解与 实际测定有一定的偏差，尤其是在焊接熔池附近的区域，误差很大，而这里又 恰 恰 是 研 究 者 最 为 关 心 的 部 位 22 h 241 。 a d a m e s 、木原博和稻埂道夫等人根据热传导微分方程，以大量的实验为基 础，积累了不同材料、不同厚度、不同焊接线能量以及不同预热温度等测量数 据，然后从传热理论的有关规律出发，经过整理、归纳和验证，最后建立了不 同情况下的焊接传热公式。这种方法前者采用数学解析法要准确，但实验的工 量很大，有确定的应用条件和范围，且可 靠性取决于测试手段的 精度12 210 19 6 6 年wil son 和nic k e l l 首次把有限 元法用于固体热传导的分析计算中。 7 0 年代，有限元法才逐渐在焊接温度场的分析计算中 使用。1975年，加拿大的 pole y 和hib be rt 在发表的 文章中， 介绍了 利 用 有限 元 法 研究 焊接 温度场的 工作， 编制了 可以分析非矩形截面以 及常见的单层、 双层u， v型坡口 的焊接温度场 计算程序，证实了有限元法研究焊接温度场的可行性。之后国内外众多学者进 行了这方面的研究工作。 k ru t z 在 1976 年的博士论文中专门 研究了利用焊接温 度场预测接头强度问题，其中分析了非线性温度场，在二维分析模型中，假定 电弧运动速度比 材料热扩散率高，因此传到电弧前面的热量输出量相对比较小， 从而 忽略了 在电 弧 运动方向 的 传热， 这实际上与砌k a l in高 速移 动 热源公 式的处 理方法是一致的。 西安交通大学唐慕尧等人于1981年编制了有限元热传导分析程序，进行了 第 1 章 绪论 薄板焊接准稳态温度场的线性计算，其结果与 实验值吻合132。 随后上 海交通大 学的陈楚等人对非线性的热传导问题进行了有限元分析，建立了焊接温度场的 计算模型，编制了相应的程序，程序中考虑了材料热物理性能参数随温度的变 化以及表面散热的情况，能进行固定热源或移动热源、薄板或厚板、准稳态或 非准稳态二 维温度场的 有限元分析35 。并在脉冲ti g焊接温度场以 及局部干法 水下焊接温度场等方面 进行了实例分析。对于三维问题，国内外也是近十年来 才刚开始研究。其原因是焊接过程温度梯度很大，在空间域内，大的温度梯度 导致严重材料非线性，产生求解过程的收敛困难的和解的不稳定性;在时间域 内，大的 温度梯度决定了 必须在瞬态分析时在时间 域内的离散度加大，导致求 解时间步的增加。国内上海交通大学汪建华等人和日 本大阪大学合作对三维焊 接温度场问题进行了一系列的有限元研究，探究了焊接温度场的特点和提高精 度的若千途径，并对几个实际焊接问题进行了三维焊接热传导的有限元分析。 蔡洪能等人建立了 运动电弧作用下的表面双椭圆分布模型基础上研制了三维瞬 态非线性热传导问题的有限元程序，程序中利用分析节点热烩的方法对低碳钢 (a3 钢) 板的 焊接 温度场 进行了 计 算， 计 算结果 和实 验值吻 合 得很好132 10 焊接过程中应力应变的研究工作始于二十世纪三十年代，但是研究工作只 能是定性的和实测性的。五十年代，前苏联学者奥凯尔布洛母等人在考虑材料 机械性能与 温度之间的相互依赖关系的情况下， 用图解的形式分析了焊接过程 的热弹塑性性质及其动态过程，并分析了一维条件下对焊接应力应变的影响。 六十年代由于计算机的推广应用，对焊接应力和变形的数值模拟才发展起来。 1961 年， tall等人首先利用计算机对焊接热应力进行计算，编制了一套沿板条 中线进行堆焊的热应力一维分析程序。 1 9 71年， 工w 砍1 编制了 可用于分析板平 面堆焊热应力的二维有限元程序，后来mu r a k i 对它作了重大改进，扩大了 这个 二维程序的功能，使之可用于对接焊和平板堆焊过程的热应力分析。日 本的上 田幸雄等人以有限元为基础， 应用材料性能与 温度相关的热弹塑性理论，导出 了 分 析 焊 接 热 应力 所 需的 各表 达 式。 此 后美 国 的h . d . hi b be 氏e . eryb l ickl，y. 工wam uk以及美国m it的m as u b u c hi等在焊接残余应力和变形的预测和控制等 方 面 进 行了 许多 研 究 工 作 ll 】 。 六 刀 d e r s o n分 析了 平 板 埋 弧 焊 时的 热 应力， 并 考 虑 了相变的影响。 进入二十世纪八十年代，有限元技术日 益成熟，人们对焊接应力和变形过 程及残余应力的分布规律的认识不断深入。19 85年jose fs o n 等人通过大量的 数 第 1 章 绪论 值计算，进一步提高了预测焊缝周围残余应力分布的精度，同时考虑定位焊对 残余应力 分布的影响。 jose f so n 对薄壁管件焊接残余应力以 及回火去应力过程的 应力分布情况进行了 研究，并探讨了一些调整焊接残余应力的措施。进入九十 年代， 随着计算机性能的进一步提高， 对焊接应力和变形的研究更加深入。 19 91 年 m ahi n等人在研究中考虑了 祸合的热应力问 题，其中 热源分布采用实验矫正 的方法进行处理，同时考虑了熔池对流、辐射及传热对温度分布的影响，其残 余应力的计算结果与采用中子衍射测得的结果吻合很好。t. in o u e等研究了伴有 相变的温度变化过程中，温度、相变、热应力三者之间的祸合效应，并提出了 在考虑祸合效应的条件下本构方程的一般形式。 1992年加拿大的c h e n 等人对厚 板表面重熔时的应力和变形进行了有限元计算，其中考虑了熔化潜热及凝固过 程中固液相转变过渡区应力的变化，其残余应力计算值和实验值相当吻合。美 国的s hi m等人利用平板应变热弹塑性有限元计算了厚板多层焊的残余应力， 并 对不同坡口形状的焊接残余应力进行了比较，揭示了厚板残余应力分布的规律。 19 93年， 加拿大的c hi di ac等人研究了 厚板焊接过程的应力和变形以及残余应力 的分布，其中涉及了三维加热模型，并考虑了显微组织的变化和晶体生长等情 况。另外，与焊接温度场的有限元分析类似，焊接热弹塑性有限元分析过去大 都局限于二维、三维问题的研究是二十世纪九十年代才开始的。 国内 对焊接残余应力和变形的数值分析起步于二十世纪七十年代，首先是 西安交通大学的楼志文等人把数值分析应用到焊接温度和热弹塑性应力场的分 中， 编制了 热弹塑性有限元分析程序，并对两个较简单的焊接问 题进行了分析。 到二十世纪八十年代，上海交通大学焊接教研室在焊接热传导的数值分析方面 做了许多工作，特别是对非线性瞬态温度场进行了有限元分析，提出了 求解非 线性热传导方程的 变步长外推法，并编制了二维热弹塑性有限元分析程序，计 算了 平板对接焊时 应力和变形的 发展过程以 及残余应力分布。关桥等人编制了 用于进行平板轴对称焊接应力和变形分析的有限差分和有限元程序，对薄板氢 弧点状热源的应力和变形进行了计算，该分析仅限于点状热源。孟繁森等人利 用迭代解法研制了 计算焊接过程应力应变程序和图 形显示程序，分析了板条边 沿堆焊时的应力和变形的发展过程。陈楚等人利用平截面的 假设分析了厚板焊 接时的瞬态拉应力以及厚板补焊时的残余应力。刘敏等人研制了三角差分温度 场和轴对称热弹塑性有限元程序， 计算了i cr1 8 n i g 五和20号钢圆管对接多层焊 接时的应力和变形。汪建华把三维问题转化为二维问题利用平面变形热弹塑性 第 1章 绪论 有限元法对厚板的应力问题进行了分析。 1 . 3 本文所研究的主要内容和意义 焊接残余应力会严重影响焊接结构的使用性能，可能引 起结构的脆性断裂， 拉伸残余应力会降低疲劳强度和腐蚀抗力， 压缩残余应力会减小稳定性极限， 焊接残余应力是焊件产生变形和开裂等工艺缺陷的主要原因。由于焊接残余应 力的测定程序麻烦，计算残余应力又极为复杂，因此给残余应力的研究带来了 许多困难， 对焊接结构的残余应力研究就显得尤为重要。 随着现代科学技术的发展，数值模拟技术的地位显得越来越重要。焊接是 一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，一旦各种焊接现象能够实 现计算机模拟，我们就可以 通过计算机系统来确定各种材料的最佳设计、最佳 工艺和焊接参数。焊接工艺过去一般总是凭经验，通过一系列的试验或根据经 验公式获得，通过数值模拟则可以大大节约人力、物力和时间，尤其是复杂的 大型结构。随着有限元法和计算机技术的飞速发展，越来越多的焊接工作者利 用数值模拟来研究焊接问题，并取得了不少成果。 本文在总结前人工作的基础上，从理论上系统阐述了 焊接残余应力的产生， 焊接过程冷热不均匀所引起的温度场与焊接残余应力场等相关知识，并应用有 限元分析软件 ans ys 对焊接温度场和焊接残余应力场进行了 实时动态模拟，并 针对某网壳结构的空心球节点角接焊问题进行了实例计算， 将焊接残余应力的 数值模拟值与传统结果和理论值比较分析，从而优化焊接结构设计和工艺设计， 减少试验工作量， 提高焊接接头的质量，为残余应力的理论分析和焊接工艺提 供有实际价值的参考。 第2 章 焊接过程的有限元分析理论 第2 章焊接过程的有限元分析理论 2 . 1 焊接过程有限元分析的特点1 幻 采用空间和时间 有限元( 包括有限差分法) 模拟焊接时材料及构件的热和力 ( 弹性一粘塑性) 行为，分析焊接残余应力和焊接变形，并如弹性构件分析中那 样划分较小的单元，即使在超级计算机时代，这也是难以 解决的任务。焊接过 程的有限元分析具有以下特点。 (l ) 模型是三维的， 至少在焊接区域应是如此，以考虑内 部和表面的不同冷 却条件; (2 ) 由 于快速加热和冷却，模拟的过程是高 度瞬态的，具有与位置和时间相 关的极不相同的温度梯度场; (3 ) 由 于材料的 热一力 行为， 模型的 过程是高 度非线性的， 并与温度密切相 关; (4 ) 局部材料的 瞬态行为，取决于局部加热的历史和力学的 应力应变历史; (5 ) 焊接时材料熔化， 有时 熔化的材料还添加在构件上， 凝固后改变构件 的连接状况; (6 ) 应模拟材料的 状态及显微组织变化; ( 乃 临界情况下可能发生的 缺陷和裂纹， 使连续介质的 概念受到怀疑。 通常这一极为复杂问题的数值解需要功能强大的计算机，求解的算法及自 适应 ( 三维) 网格和 ( 时间步长) 程序。 虽然今天有功能强大的计算机可以利用， 但计算方法和软件的发展仍跟不上硬件进步的速度，而且即使有可以采用的计 算手段，目前在收敛检验和误差估计方面也将遇到难以超越的困难。 在工业生产和加工过程中阻碍焊接残余应力有限元分析应用的另一个问题 是，该分析需要众多的材料特征值及其与温度的关系，而目前只有零星的数据。 很多材料特征值不仅因材料而异，而 且与显微组织的状态有关， 还要考虑材料 特征值的局部各向异性或不均匀性。 然而在模拟复杂的实际问题时，上述要点只和采用带有最大可能细节的有 限元模型有关。如果在模型中只涉及问 题的核心，就不用考虑上述所有要点， 这时只在有限元模型中研究主要的影响参数，有限元方法就可以给出贴切实际 第2 章 焊接过程的有限元分析理论 的结果。 这一 点非常重要， 是因为残余应力测量和分析方法不同，能给出的说 明是非常有限的。如果采用无损检测技术，只能得到构件表面的应力状态，就 是采用破坏性的测量方法，也不可能有足够的精度确定构件内部完整的三维应 力状态。这就涉及有限元模型的简化问题，所属类型的简化如下所述: (l ) 将希望的三维力学模型简化为二维甚至一维模型，如采用轴对称假设， 只研究板的 平面或垂直焊缝的 横截面，把问 题简化为杆元或收缩力模型; (2 ) 简化构 件几何、支 座 和加 载条 件; (3 ) 使模型对称或周期化; (4 ) 将非线性热弹性一粘塑性模型简化为线性热弹性模型; (5 ) 将瞬态过程简化为准稳态过程; (6 ) 使热过程和力学过程分离; (7 ) 忽略高温发生的熔化、凝固 相，以 及随后在低屈服应力的相变过程; (8 ) 只用比 热容和热膨胀系数综合体现低温相变; (9 ) 忽略蠕变和硬化，并对屈服规律进行简化: (l 0) 用瞬态总热量或快速移动热源取代热源的 运动， 并忽略热源运动方向 上 的热传导; (l 1) 用给定温度范围内 与 温度无关的 平均值， 取代与温度相关的 材料 特征 值; ( 12 ) 只用冷却 过程来模拟残余应力的形成。 根据焊接工艺基础将焊接问题分解为温度场、应力应变场以及显微组织状 态场;业己 证明，这种分解特别对焊接残余应力和焊接变形的数值分析处理很 有价值。其关系如图2 . 1 所示，图中箭头表示的是三者之间的相互关系: 实线箭 头表示强烈的影响，虚线箭头表示较弱的影响 ( 经常在工程上可忽略其关联) 。 值得强调的是显微组织的转变不仅决定于材料的化学成分，也决定于其受热过 程 ( 特别是与焊接有关的过程) 。显微组织特别是它在焊接接头的热影响区和熔 化区的影响更加引人注意。 从图 2 . 1可以看出，影响焊接应力应变的因素有焊接温度场和金属显微组 织，而焊接应力应变场对它们的影响却很小，所以 在分析时，一般仅考虑单向 祸合问题，即只考虑焊接温度场和金属显微组织对焊接应力应变场的影响，而 不考虑应力应变场对它们的 影响。高 温时因为屈服极限 较低， 此时相变应力也 很低，所以忽略相变应力不会给焊接应力带来较大的影响。本文仅研究焊接温 第2 章 焊接过程的有限元分析理论 度场对应力应变场的影响， 从而分析焊接残余应力的分布规律。 沪 补分 扮 了 一户 力 学 一、 桩反肠/ ， 气 一_ 一洲 、，曰夕 j门声 、右 刁 尸 产 一 图2 . 1温度场、应力应变场及显微组织状态场的分解和相互影响 从图2 . 1 可以看出， 金属相变对焊接温度场有影响，但影响不是很大， 严格 地分析相变潜热是比较困难的，比较简单的办法之一是将潜热的影响作为材料 比热容的迅速上升或下降来处理。本文所研究的是高强钢焊接结构的残余应力 分布规律，一般对于高强钢来说，由于在冷却过程中的相变发生在较低温度， 应当考虑相变对焊接应力应变过程的影响， 但与相变时的体积膨胀相比，对残 余应力的影响很小，所以本文没有考虑相变潜热对残余应力的影响。 2 . 2 焊接热源的选择 到目 前为止，实现金属焊接所需的能量，主要是热能和机械能。对于熔焊， 主要是热能，因而只讨论与熔焊有关的热源. 作为焊接热源，应当热量高度集中，快速实现焊接过程，并保证得到高质 量的焊缝和最小的焊接热影响区。目 前，能够满足这些条件的热源有以下几种: 电弧热一利用气体介质中的电弧放电过程所产生的热能作为焊接热源，是 目 前焊接中应用最广泛的一种热源: 化学热一利用可燃气体( 液化气、乙炔) 或铝、镁热剂与氧或氧化物发生强 烈反应时产生的热能作为焊接热源( 气焊、热剂焊所用的热源) : 第2 章 焊接过释的有限元分析理论 电阻热一一利用电流通过导体及其界面时所产生的电阻热作为焊接热源( 电 阻焊和电渣焊) ; 摩擦热一由 机械高速摩 擦所产生的热能作为焊接热源( 摩擦焊和搅拌摩擦 焊) ; 等离子焊一由电弧放电或高频放电产生高度电离的气流( 远高于一般电弧 的电离度) 并 携带大量的热能和动能，利用这种能量作为焊接热源( 等离子焊接 和切割) ; 电子束一在真空中利用高压下高 速运动的电子猛烈轰击金属局部表面，将 这种动能转为热能作为焊接热源: 激光束 一利用激光即由受激辐射而 增强的光(las er) ，经聚集产生能量高度 集中的激光束作为焊接热源( 激光焊接与切割) 。 每种焊接热源都有它自 身的特点，一些常用焊接热源的最小加热面积、最 大功率密度和正常焊接工艺参数下的温度如表2 . 1 所示。 表2 . 1各种热源的主要特征 热源 最小 加热面 积/ cmz最大功 率密 度/ 邵. cmz 正常焊接工艺参数下的 温度/k 乙炔火焰 1 0 硬2 x l 03 3 4 7 5 金属极电弧 1 0 一 31 0 4 60 oo 钨极氨弧焊1 0 一 3 1 .5 x l 0 4 8 0 0 0 埋弧焊 1 0 一 32 x l 0 4 6 4 0() 电渣焊1 0 刁1 0 4 2 2 7 5 熔化极氢弧焊 1 0 礴1 0 4 一 1 0 5 l c 必气体保护焊1 0 -41 0 4 一 1 0 5 / 等离子焊1 0 一 5 1 .5 x l 0 5 1 8 00小 2 4 0(沁 电子束 1 0 -71 0 7 1 护 l 激光焊 1 0 一 51 0 7 1 护 l 第2 章 焊接过程的有限元分析理论 影响焊接温度场的焊接热源主要参数是在焊接部位的热输入， 在瞬时作用热 源中为 其热量或热能zj 】 ， 在连续作用热源中为其热流量或热功率q j ls 。 在 两 种 情 况 下 ， 都 需 要 考 虑 的 是 它 们 的 净